從技術(shù)實(shí)驗(yàn)到落地市場 無人機(jī)續(xù)航問題仍未解 2016年09月23日09:31 來源：中國智能制造網(wǎng)|
在無人機(jī)領(lǐng)域，雖然視覺定位、高清圖傳、感知壁障等一系列先進(jìn)技術(shù)不斷發(fā)展，續(xù)航這個(gè)根本問題卻始終沒有得到有效解決。那么針對這一痛點(diǎn)，哪一種材料更能解決無人機(jī)續(xù)航的問題呢?
無人機(jī)的續(xù)航時(shí)間一直是被人詬病，以目前的技術(shù)，無人機(jī)續(xù)航時(shí)間普遍在30分鐘內(nèi)。那么針對這一痛點(diǎn)，哪一種材料更能解決無人機(jī)續(xù)航的問題呢?
在無人機(jī)領(lǐng)域，雖然視覺定位、高清圖傳、感知壁障等一系列先進(jìn)技術(shù)不斷發(fā)展，續(xù)航這個(gè)根本問題卻始終沒有得到有效解決。
市面上的消費(fèi)級無人機(jī)續(xù)航時(shí)間普遍在30分鐘以內(nèi)，如果是經(jīng)驗(yàn)老道的飛手可能還能比較充分的利用這20多分鐘，但是新手如果不能很好的節(jié)約能源，從無人機(jī)開機(jī)到起飛可能就需要好幾分鐘，再加上返航的時(shí)間，無人機(jī)根本飛不了多遠(yuǎn)。
電力巡線、偵察、搜索救援等工業(yè)級無人機(jī)對續(xù)航時(shí)間的要求更高，有業(yè)內(nèi)人士表示，航時(shí)是工業(yè)級無人機(jī)解決一切作業(yè)難題的先決條件，一旦解決了航時(shí)問題，將會極大地?cái)U(kuò)展工業(yè)級無人機(jī)的應(yīng)用場景和用途。
無人機(jī)的飛行原理不同于民航客機(jī)，客機(jī)可以靠機(jī)翼上下的空氣壓強(qiáng)差提供垂直方向的力，實(shí)現(xiàn)客機(jī)的飛行。大部分無人機(jī)是多旋翼飛行器，完全依靠螺旋槳的拉力把機(jī)身提起來，屬于自己把自己提起來，意味著小小機(jī)身卻需要大量能量來維持動力。
氫燃料電池
氫燃料電池是使用氫這種化學(xué)元素，制造成儲存能量的電池。其基本原理是電解水的逆反應(yīng)，把氫和氧分別供給陰極和陽極，氫在陽極變成氫離子(質(zhì)子)通過電解質(zhì)轉(zhuǎn)移到陰極，同時(shí)放出電子通過外部的負(fù)載到達(dá)陰極，與氧氣發(fā)生反應(yīng)生成水。鋰電池是無人機(jī)最常見的動力來源，可由于能量密度的限制，目前不可能取得大的突破，所以無人機(jī)想要解決續(xù)航問題，只能從別的方向下手。
燃料電池一直以能量密度大著稱，目前已經(jīng)有氫燃料電池應(yīng)用于無人機(jī)。類似于“飛行時(shí)間破了記錄，把飛手都飛哭了”的事件已經(jīng)見諸報(bào)端。那么，氫燃料電池是不是解決無人機(jī)續(xù)航的理想方案呢?
去年，英國能源(IntelligentEnergy)宣布創(chuàng)造了一種針對小型無人機(jī)的最優(yōu)化燃料電池，通過在典型電池里添加氫燃料電池，公司表示它能夠?qū)o人機(jī)的飛行時(shí)間從20分鐘擴(kuò)展到至少2小時(shí)。由于利用壓縮氫可以對電池進(jìn)行充電，因此對耗盡的電池更換新燃料只需幾分鐘即可完成，相比之下對典型的無人機(jī)電池進(jìn)行再充電需要40分鐘至1小時(shí)。
今年2月份，蘇格蘭海洋科學(xué)協(xié)會(SAMS)在蘇格蘭機(jī)場成功進(jìn)行了第一架使用固態(tài)氫動力系統(tǒng)無人機(jī)的飛行測試，起飛10分鐘運(yùn)行200英尺，并平穩(wěn)著陸。它采用的是Cella公司的氫動力氣體發(fā)生器和Arcola集成的燃料電池。這個(gè)電池的運(yùn)行原理為：氣體發(fā)生器使用專有的固態(tài)物質(zhì)，將該物質(zhì)加熱到100℃以上時(shí)可將釋放出大量的氫氣。
在國內(nèi)，武漢眾宇動力系統(tǒng)科技有限公司于2014年底就開始嘗試在無人機(jī)上應(yīng)用燃料電池技術(shù)，2016年3月，搭載眾宇動力燃料電池系統(tǒng)HyLite?的六旋翼無人機(jī)在野外實(shí)際飛行中實(shí)現(xiàn)了4小時(shí)33分的續(xù)航能力。
氫燃料的高效能有目共睹，其發(fā)電效率通常能達(dá)到32%至70%，所提供的續(xù)航能力遠(yuǎn)超鋰電池。但氫燃料電池系統(tǒng)開發(fā)成本高、可靠性和耐久性低、供氫系統(tǒng)成本高等，都是掣肘氫燃料電池發(fā)展的主要因素。
太陽能動力
太陽能同樣被無人機(jī)行業(yè)所看好，“動力陽光”使用太陽能作為動力環(huán)球飛行的消息更是讓航空業(yè)為之振奮。無人機(jī)界最著名的太陽能無人機(jī)當(dāng)屬Facebook的聯(lián)網(wǎng)無人機(jī)Aquila，其目標(biāo)就是在空中持續(xù)飛行90天。
自上世紀(jì)八十年代，人們就開始對太陽能飛機(jī)的嘗試，其中多款有人駕駛飛機(jī)和無人機(jī)在航空業(yè)上，留下了重要一筆。
此外，今年4月，美國AltaDevices公司宣布將太陽能電池轉(zhuǎn)化效率的記錄提高到了31.6%，創(chuàng)造世界紀(jì)錄。這一突破將重新定義太陽能電池的使用，尤其是在無人機(jī)市場的使用。據(jù)公司介紹，對于典型的高空長航時(shí)無人機(jī)，AltaDevices的薄膜材料與其它薄膜技術(shù)相比，產(chǎn)生相同能量時(shí)，所需的面積不到其一半，重量也只有其四分之一。
雖然可以大幅延長續(xù)航時(shí)間，但太陽能無人機(jī)過于受到環(huán)境影響，且面臨著諸多技術(shù)瓶頸：1.設(shè)計(jì)問題,包括適合加載太陽能基材的飛機(jī)設(shè)計(jì)、大展弦比機(jī)翼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、無人機(jī)控制等等。2動力問題，我國業(yè)內(nèi)對于太陽能電池陣列與系統(tǒng)的耦合研究較少，嚴(yán)重地制約了長航時(shí)無人機(jī)的電源整體論證，對無人機(jī)總體的飛行程序、任務(wù)軌跡、飛行動力的確定造成了較大的困難。而且，由于目前太陽能電池的國內(nèi)轉(zhuǎn)換效率還集中在18.5%-21%，電池的厚度在200—260μm，電池的轉(zhuǎn)換效率和面密度水平有待進(jìn)一步提升。
超級軟磁
華博易造日前推出了一款新型材料——“易造”超級軟磁，并與汽車公司達(dá)成合作，將為其首批打造50萬臺新能源車的輪軸電機(jī)，而且將在3年內(nèi)擴(kuò)大到500萬臺。
業(yè)內(nèi)人士稱，與傳統(tǒng)材料不同，這一超級軟磁新材料有望在綜合性能、設(shè)計(jì)思路及工藝路線等多方面顛覆傳統(tǒng)制造業(yè)，讓電機(jī)、變壓器、逆變器變得更輕、更小、更高效，或?qū)殡妱悠?、無人機(jī)、、醫(yī)療器械、空調(diào)、輸變電、輪船等諸多領(lǐng)域帶來革命性的轉(zhuǎn)變。
“易造”超級軟磁因其密度和磁通量的可調(diào)節(jié)性及天然粉末狀的外形特征，只需簡單的冷壓和燒結(jié)工藝讓高端制造變得非常容易，其核心原因在于易造材料的飽和磁通量可達(dá)到2.06特斯拉、壓制密度高達(dá)7.69c?，遠(yuǎn)超軟磁材料最高創(chuàng)立者日本日立非晶材料。
另據(jù)易造研究院首席研究員黃穗介紹，軟磁材料還具備輕小的優(yōu)勢，以市面上某國際知名純電動車為例，其設(shè)計(jì)值是整車重量950公斤，但是實(shí)際上線銷售后，整車重量1120公斤左右，如果使用易造輪軸電機(jī)作為改良的話，可以把整車重量降到約650公斤，在其他參數(shù)不變的情況下，續(xù)航里程能翻倍。
從報(bào)道來看，易造材料的優(yōu)勢和前景都比較可觀，產(chǎn)業(yè)化的消息更是讓業(yè)內(nèi)為之興奮，基于這種超級軟磁而制造的電機(jī)、變壓器等，能否解決包括電動汽車、無人機(jī)在內(nèi)的眾多領(lǐng)域的續(xù)航短、功效低等核心問題，待控股集團(tuán)50萬臺新能源汽車問世后，或許就可以得到初步答案。
石墨烯材料
石墨烯是一種超薄的材料，其厚度只有頭發(fā)絲的幾十萬分之一，但堅(jiān)實(shí)程度卻是鋼的200倍，具有優(yōu)良的導(dǎo)熱性能、力學(xué)性能、較高的電子遷移率、較高的比表面積和量子霍爾效應(yīng)等性質(zhì)。
憑借著極薄、強(qiáng)韌、導(dǎo)電導(dǎo)熱性好等優(yōu)越性能，石墨烯一經(jīng)問世便成為21世紀(jì)最有前途的新材料，被認(rèn)為可廣泛應(yīng)用于微電子、物理、能源材料、化學(xué)、生物醫(yī)藥、航空航天、環(huán)保等領(lǐng)域。
樂觀的觀點(diǎn)認(rèn)為，在制造工藝中加入石墨烯后，智能手機(jī)的觸摸屏或?qū)⒏?、更輕，卻又不易碎;手機(jī)充電或許只要幾秒鐘;計(jì)算機(jī)處理器的運(yùn)轉(zhuǎn)速度或?qū)⑻岣邤?shù)百倍等等。2014年有報(bào)道稱，西班牙Graphenano公司同西班牙科爾瓦多大學(xué)合作研制出首例石墨烯聚合材料電池，其儲電量是當(dāng)時(shí)市場最好產(chǎn)品的三倍，用此電池提供電力的電動車最多能行駛1000公里，而其充電時(shí)間不到8分鐘。
試想，如果石墨烯能應(yīng)用于無人機(jī)，或許也將有助于減輕無人機(jī)自重，同時(shí)提供長時(shí)間的續(xù)航。
然而，我們也經(jīng)常能聽到“石墨烯在鋰電池上的應(yīng)用前景渺?！?、“從實(shí)驗(yàn)室到再到市場，它還有很遠(yuǎn)的路要走”等一系列并不看好該材料的聲音。清華能源互聯(lián)網(wǎng)研究員劉冠偉表示，“石墨烯電池”這個(gè)技術(shù)接近于不存在，石墨烯只有在理論上能夠提高充放電速率，而對于容(能)量的提升基本沒有任何幫助，其噱頭意義遠(yuǎn)大于實(shí)用價(jià)值。而且石墨烯材料本身納米材料的高比表面積等性質(zhì)與現(xiàn)在的鋰離子電池工業(yè)的技術(shù)體系是不兼容的，應(yīng)用的希望十分渺茫。
另外，制備技術(shù)難題也是桎梏石墨烯產(chǎn)業(yè)化的一大障礙。曼徹斯特大學(xué)的教授們首次提取出石墨烯，是直接從石墨中剝離而來，但這種傳統(tǒng)方式顯然不適用于大規(guī)模生產(chǎn)。后續(xù)，化學(xué)氣相沉積法(CVD)、溶劑剝離法、液相氧化還原法等工藝手段相繼誕生，但在質(zhì)量、成本、產(chǎn)率等方面各有優(yōu)劣。目前，科學(xué)家們依然在尋找最佳的產(chǎn)業(yè)化制備方法。
系留無人機(jī)
不用于前面的新材料和新能源，系留無人機(jī)的特點(diǎn)主要在于結(jié)構(gòu)和技術(shù)。
無論國內(nèi)外，均已出現(xiàn)了很多系留無人機(jī)平臺。比如，CyPhyWorks公司的無人機(jī)Parc，采用六旋翼，搭載了高分辨率紅外相機(jī)，可以在夜間進(jìn)行拍攝，其下方由一種系覽連接，不僅可以時(shí)刻和外界保持?jǐn)?shù)據(jù)傳輸(數(shù)據(jù)傳輸速率為10Mbps)，還可以源源不斷地從外部發(fā)電機(jī)、車輛、或者其他設(shè)備獲得電力。
據(jù)CyPhyWorks公司網(wǎng)站介紹，這種無人機(jī)技術(shù)最早是為軍方打造的，由于采用有線傳輸數(shù)據(jù)，無人機(jī)與地面控制站相連后，兩者之間的通訊將無法被攔截，因?yàn)榭梢杂行ПＷo(hù)通信安全。
這種系留結(jié)構(gòu)對于系覽的重量、載流量、耐電壓能力、抗拉力等要求較高，且還有一個(gè)明顯的弊端就是無人機(jī)無法飛的太遠(yuǎn)。
目前市面上的多旋翼無人機(jī)主要采用鋰聚合物電池作為主要?jiǎng)恿?，續(xù)航能力一般在20分鐘至30分鐘之間，因技術(shù)方面不同有所差別，大部分續(xù)航時(shí)間都是在45分鐘以內(nèi)。航時(shí)的限制對無人機(jī)的推廣應(yīng)用產(chǎn)生了重要影響，延長續(xù)航一直是業(yè)內(nèi)最為棘手的難題。以上幾種方案，有些還處于理論階段，有些正邁向產(chǎn)業(yè)化進(jìn)程，也有則已經(jīng)開始投入應(yīng)用。技術(shù)的發(fā)展成熟總是一個(gè)漫長過程，從實(shí)驗(yàn)室到市場，無人機(jī)還有更廣闊的未來值得探索。
責(zé)任編輯：姚泓澤
